（工程热物理专业论文）人体热调节系统模型在相变防护服研究中的应用.pdf

中国科技人学硕十毕业论文 中文摘要 由于相变材料具有在一定温度范围内吸收和放出大量热量而温度不发生变 化的特点，因此在许多领域内有重要应用，成为一种重要的节能和调温的手段。 从二十世纪七十年代以来，人们丌始将相变材料应用于纺织品中，利用其可以蓄 能调温的特点，制造适合于不同使用场合的纺织品，尤其是用于高温环境、低温 环境的纺织服装，如消防员与潜水员穿的防护服。 在相变材料研究发展的同时，人体热调节系统研究在另外一个完全不同的 领域也在丌展。人体本身就相当于一个含内热源的三维传热系统。人体、服装、 环境应陔被作为一个整体来进行研究。为了更确切地知道相变材料防护服装的调 温效果，必须在建立模型时把人体自身的调节能力考虑在内。 本文的目的是探究影响相变防护服调温能力的因素。本人在阅读了相关文 献的基础上，总结了目静相变材料领域和人体热调节研究领域的研究进展，并建 立了一个一维的人体模型来模拟人体、服装、环境的传热过程。在建立模型时除 了考虑相变材料的特性外，还考虑了人体自身的调节能力，经过计算和分析，得 到了一些有意义的结论，这些结论对相变材料防护服装的研究有较高的研究价 值。 中国科技人学硕十毕业论文 a b s t r a c t p c m sa r ew i d e l yu s e di nm a n yf i e l d sb e c a u s eo ft h e i rp r o p e r t i e so fa b s o r b i n g a n dg i v i n go u th e a tw i t h o u tc h a n g i n gt h e i rt e m p e r a t u r e i t sav e r ye f f e c t i v ew a yt o r e d u c ee n e r g yc o n s u m p t i o na n dr e g u l a t et h et e m p e r a t u r e f r o mt h e1 9 7 0 s ，p e o p l e h a sa p p l i e dp c m st ot e x t i l ea n dp r o d u c e dd i f f e r e n tc l o t h e sf o rv a r i o u sc o n d i t i o n s ，f o r e x a m p l e ，c l o t h e sm a d ef o rf i r e m e nw h ow o r ki nh o te n v i r o n m e n ta n dd i v e r sw h o s w i mi nc o l dw a t e r p c m sh a sb e e n f u l l yd e v e l o p e dt h e s ey e a r s ，m e a n w h i l e ，t h es t u d yo fh u m a n t h e r m o r e g u l a t o r ys y s t e mh a sa l s op r o g r e s s e dal o t t h eh u m a nb o d yi sat h r e e d i m e n s i o n a lh e a tt r a n s f e rs y s t e mw i t hai n n e rh e a ts o u l - c et os o m ee x t e n t t h eb o d y 、 t h ec l o t h e sa n dt h ee n v i r o n m e n ts h o u l db et r e a ta saw h o l e t oe v a l u a t et h ee f f e c to f t h ep h a s ec h a n g ep r o t e c t i v ec l o t h i n g ，t h eh u m a nt h e r m o r e g u l a t o r ym u s tb ec o n s i d e r e d w h i l ee s t a b l i s h i n gt h em o d e l t h ep u r p o s eo ft h i sa r t i c l ei st of i n dt h ef a c t o rt h a ta f f e c tt h er e g u l a t i n ga b i l i t yo f t h ep h a s ec h a n g ep r o t e c t i v ec l o t h i n g a f t e rr e a d i n gi n t e r r e l a t e da r t i c l e s ，ic o n c l u d et h e d e v e l o p m e n to ft h ef i e l d so fp c m sa n dh u m a nt h e r m o r e g u l a t o r y , a n da l s os e tu pa o n ed i m e n s i o n a lh u m a nb o d ym o d e lt os i m u l a t et h eh e a tt r a n s f e rp r o c e s so fh u m a n b o d y 、c l o t h e sa n dt h ee n v i r o n m e n t 。b e s i d e st h ep r o p e r t i e so fp c m s ，t h eh u m a n t h e r m o r e g u l a t o r yi sa l s oc o n s i d e r e dw h i l ee s t a b l i s h i n gt h em o d e l a f t e rc o m p u t i n g a n da n a l y s i s ，s o m es i g n i f i c a t i v ep o i n t sa r ec o n c l u d e d ，w h i c hh a sg o o di m p o r t a n c et o t h er e s e a r c ho f p h a s ec h a n g ep r o t e c t i v ec l o t h i n g 中国科技人学硕+ 毕业论文 第一章绪论 储能材料按储能方式分为三种：显热储能、潜热储能和化学反应储能【1 1 ，相 变材料( p h a s ec h a n g em a t e r i a l s ，简称p c m ) 是一种利用潜热储能的高效的储能 物质。近年来在许多领域得到了广泛的应用。 显热储能材料使用方便，但储能密度低，使得储能设备体积庞大。化学反应 储能是利用可逆化学反应的反应热储能的，这种方式储能密度虽然比较大，但是 技术复杂且使用不便，目前仅在太阳能利用方面有研究，离实际应用还较远。而 潜热储能是利用材料在相变时吸热或放热束储能或释能的，这种材料不仅能量密 度较高，而且使用装置简单、体积小、设计灵活、使用方便且利于管理。另外， 这类材料在相变过程中，材料近似恒温，可以以此来控制体系的温度。 二十世纪七十年代末，美国国家航空和航天管理局( n a s a ) 空问研究所开 发的一个新项目【2 1 ，将相变材料应用于纺织品中。使制成的服装具有温度调节功 能，以保护宇航员和设备不受太空低温的伤害。这种服装一经推出，立即受到了 广泛的关注，现在世界上许多国家，包括中国都丌始了对这种应用相变材料的服 装的研究。 制造这种具有温度调节能力的服装，多数是采用微胶囊技术将p c m 包裹于 微胶囊中，再施加于纤维或纺织品中。也有直接将p c m 混合到聚合物中，然后 复合到非织造材料上的非织造服装，与前者相比，这种技术造价更便宜。 防护服的价值体现在对人体的温度保护，也就是维持人体体温上，因此，在 研究中就不能不考虑防护服与人体和热( 或冷) 环境的相互作用。对人体热系统 的研究是另一个有相当长历史的研究领域。将帽变材料微胶囊技术、纺织技术、 人体热系统进行结合对防护服研究来说是非常必要的。结合本人专业，本论文将 探讨想变材料、人体热系统研究在相变防护服研制中的应用。 中国科技人学硕十毕业论文 2 1 相变材料概述 第二章相变材料 2 1 1 引言 用相变材料储能的现象，古已有之。当时，人们用天然冰来冷藏食品和在夏 季为居室降温。进入2 0 世纪，能源危机成为世界各国亟待解决的问题，在高度 重视节约传统能源的同时，人们丌始开发太阳能、风能、地热能等新能源。但是， 这些能源有间断性和不稳定性的特点，为了提高利用效率，缓解能量供求双方在 时间、强度及地点上的不匹配，研究用相变材料储热的技术就显得尤为重要。 2 1 2 相变材料的定义 相变材料从液念向固态转变时，要经历物理状态的变化。在此过程中，材料 要向环境中放热，反之，从固态向液态变化时，要从环境中吸热。相变过程中温 度不发生变化。在物理状态变化过程中可储存或释放的热量称为相变潜热。发生 相变的温度称为相变温度。 2 1 3 相变形式及相变材料的分类i 3 i 相变材料的种类很多，存在的形式也各种各样。迄今为止，人们研究过的天 然和合成的相变材料已超过4 3 0 0 多种。 相变材料一般为多组分混合物，包含储热剂、防过冷剂、导热剂、相稳定剂、 载体基质等组分。从材料的化学组成来看，可分为无机相变材料、有机相变材料 和混合相变材料三类。无机相变材料包括结晶水和箍、熔融箍、余属合会等无机 物；有机相变材料包括石蜡、羧酸、酯、多元醇等有机物：混合相变材料主要是 有机和无机共融相变材料的混合物。 从相变材料相态的变化方式看，又可分为固液相变、固固相变、固气相变和 液气相变四类，一般来说，相变潜热从固液到液气逐渐增大。但是，固气和液气 相变过程中体积变化很大，对设备要求高，不易储存，因此，尽管其相变潜热很 大，在实际中仍较少应用。目前，固液相变材料和固固相变材料两大类研究较多， 发展较快。 中国科技人学硕+ 毕业论文 2 1 4 选择相交储能材料的原则1 3 l 选择一种合适的相变材料，首先应满足的条件是： ( 1 ) 有合适的相变温度 ( 2 ) 有较大的相变潜热 ( 3 ) 有合适的导热性能( 导热系数一般宜大，以达到较快的相变速度) ( 4 ) 性能稳定，可反复使用而不发生熔析现象和副反应 ( 5 ) 相变的可逆性好，多冷度小 ( 6 ) 无毒，无腐蚀，无污染 ( 7 ) 使用安全，不易燃、易爆或氧化变色 ( 8 ) 有较快的结晶速度和晶体生长速度 ( 9 ) 蒸汽压低。不易挥发损失 ( 1 0 ) 体积膨胀小 ( 1 1 ) 密度大，从而体积能量密度大 ( 1 2 ) 原料易购、价格便宜 其中，相变温度、原料的价格、来源、有无毒性是选择的关键因素。 2 1 5 相变储能技术原理及应用 由于在物态变化过程中，也就是相变过程中，相变材料可以吸收或放出相变 潜热并保持温度不变，利用这个过程，可以把热量或冷量保存在具有一定相变潜 热的相变材料中，等需要时再取出来使用，从而达到控制环境温度的目的。 相变储能技术是材料和能源科学相互交叉的一门新型工程技术。应用储能技 术可以解决能源供给与需求失配的矛盾，是提高能源利用效率和保护环境的重要 技术。目前这种技术主要被应用于空调储冷、智能建筑物的自动恒温和太阳能利 用中的能量储存和交换技术，有助于削平电价峰谷差，缓解能源紧张问题【4 】。在 防护服装、冷敷保健、仪器散热等领域也有广泛的研究和应用。比如以十水硫酸 钠为主要原料的相变材料，被用于人体的冷敷保健和空调储冷，而以五水硫代硫 酸钠吸附在多孔结构的水泥中所形成的复合定型相变储热材料，可制成储热墙板 用于建筑物节能。石蜡类烷烃、聚乙二醇则是常用于制成相交微胶囊以用于调温 纺织品的相变材料。 中国科技人学硕十毕业论文 2 2 石蜡与蓄热调温微胶囊 如上节所述，相变材料在许多领域己取得了广泛的应用。在多种相变材料中， 固液相变材料具有储能密度大、储能过程近似恒温、体积变化小、过程易控制等 优点，得到各领域科学家的广泛重视。 固液相变材料的种类很多，按组成可分为如下主要类型【5 】： ( 1 ) 无机化合物，包括结晶水合赫类、熔融盐类、金属或合会 ( 2 ) 有机化合物，包括石蜡类、脂肪酸类、酯类、醇类和高分子类 ( 3 ) 共熔体系及复合材料，分为有机有机、有机无机、无机无机共熔物 和复合材料 其中石蜡类有机相交材料被经常用于对织物进行涂层或制成微胶囊混入纺 织液中进行纺丝，做成调温服装。相变微胶囊是为了解决在固液相变过程中液相 的流动泄露问题而研制的，人们设想将相变材料封装在球形的胶囊中，制成胶囊 型复合相变材料来改善其应用性能。本文计算模型中采用的相变材料即是石蜡。 此外，常用于纺织品的相变材料还有聚乙二醇。 2 2 1 石蜡 石蜡主要由直链烷烃混合而成，可用通式c 。h ：。表示。一般来说，其熔点 和熔解热随着碳链的增长而增大，这样可以得到一系列相变温度的储热材料，但 随着相变温度的增长，熔点的增加值逐渐减小，最终将趋于一定值。表1 列出了 石蜡类部分材料的热力学数据。常用石蜡相变材料的熔点为1 2 口7 5 9 。c ，熔解 热为15 0 k j k g 到2 5 0 k j k g1 5 1 石蜡作为相变储能材料有许多优点，如熔解热高、发生相变时蒸汽压低、结 晶时自成核无析出、无过冷现象、化学性质稳定、无毒无刺激性气味、价格低等。 因此，在纺织服装应用上较为多见。石蜡虽有如此多的优点，但也有缺点，比如 导热性差、密度小、易燃、单位体积储热能力差等，在应用中通过添加会属网络、 余属粉末来改善其导热性能，易燃性的问题可通过加阻燃剂来解决。 中国科技人学硕十毕业论文 表l 石蜡类相变储能材料热物性 材料名称碳原子数熔点，结晶化温度熔解热 。c。c k j 啮。 十六烷( h e x a d e c a n e )1 6 1 8 51 6 22 3 7 十七烷( h e p t a d e c a n e ) 1 7 2 2 52 1 52 1 3 十八烷( 0 c t a d e c a n e ) 1 82 8 52 5 42 4 4 十九烷( n o n a d e c a n e )1 93 2 ，12 6 42 2 2 二十烷( e i c o s a n e )2 0 3 6 1 3 0 6 2 4 7 2 2 2 蓄热调温微胶囊 固液相变过程中液相的流动泄露问题，是在固液相变材料的应用中普遍存在 的，特别是对无机水合盐类相变材料还存在腐蚀性的问题。针对这些问题，人们 制造出各种复合储能材料。复合材料出工作介质和封装材料两部分组成，工作介 质为固液相变材料，封装材料对相变产生的液体起包覆作用。封装材料被做成微 胶囊或空间网状或多孔结构，而把相变材料封装于其中。 微胶囊技术是将待定温度范围的相变材料用某些高分子化合物或无机化合 物以物理或化学的方法包裹起来，制成直径在i p m 口1 0 0 u m ( 纺织品中为 1 w n 口l o g m ) 之间常惫下稳定的固体微粒，这种包覆后相变材料性质不受影响 的固体微粒被称为蓄热调温微胶囊。微胶囊的壁材要有良好的韧性和抗渗透型， 而且耐磨性、耐热性和耐水性也要好1 7 】。 石蜡制成微胶囊以后，其相变潜热一般在ll o o1 6 0 k j k g 范围内。原位聚合 法是制备微胶囊较好的方法之一，制得的微胶囊有效成分石蜡的含量可达6 0 左右，能较好的发挥蓄热作用。 中国科技人学硕十毕业论文 2 3 微胶囊技术在纺织中的应用 在纺丝过程中的应用：把经过微胶囊技术处理的相变材料混入纺丝液中，要 求微胶囊粒度足够小，并且能均匀的分散在纺丝液中，不至于堵塞喷丝板。 在织物涂层整理中的应用：把包含有相变材料的微胶囊混入和分散在涂料 中，按照常规方法进行涂层加工，就可以得到含有相变材料的涂层纺织品。 含有相变材料的纺织品，可以维持人体处在正常温度的温度范围内，为人体 提供舒适的“衣内微气候”，因此被称为智能调温纺织品。它的使用要具有一定 的温度条件，只有在温度变化频繁的环境中，力更能体现出它的作用。在使用之 前，要利用一定的措施，以吸收或释放热量，来实现它的温度调控作用。智能调 温纺织品可用于普通服装、运动服装、职业服装、室内装饰、床上用品、鞋袜以 及医疗用品。防护服是其中一个重要的应用领域f 7 】。 中国科技人学硕十毕业论文 第三章人体热调节系统 在相变材料防护服装的研究中，除了相变材料纺织物层的热传递模型外，人 体热调节系统数学模型的研究也是一个很重要的部分( 如图l 所示) 。人体为了 达到舒适的状态，需要依靠服装和人体自我调节能力的相互协调作用，因此，在 防护服装研究中将两者结合起来是非常有必要的。 人体热调节系统是人体生理系统的一部分，在工程上，用来模拟人体温度变 化，确定环境应激水平或分析特定的人机与坏境系统的控制特性和能力。自1 9 6 0 年以来，人体热调节系统数学模型的研究已成为现代生物医学工程中一个非常活 跃的研究领域。美国在实施“阿波罗”登月计划期自j ，就对人体热调节系统数学 模型进行了大量的研究，以解决航天服设计等有关技术问题。 目前人体热调节系统数学模型在工程上的研究工作分为以下三类：人体温度 场的求解，热调节系统响应的建模和服装及边界条件的分析处理。本章将概述人 体温度分布和热调节系统模型方面的相关研究。 图1 服装及人体模型简单示意图 服装 中国科技人学硕十毕业论文 3 1 人体温度分布研究 3 1 1 人体温度控制系统的组成和原理 从传热学的观点看，人体相当于一个含内热源的三维传热系统。人体内由于 生化过程的进行不断产生能量。这些能量大部分最终转化为热量；同时人体还通 过传导、对流、辐射和蒸发等途径，不断地与外界交换热量；此外，体内外还存 在机械能的交换。 3 1 2 人体温度分布的研究历程2 o 人体温度分伟对熟舒适性有重要的意义，早在大约5 0 年丽，人们就丌始了 对人体温度分布的研究。研究人体温度分布的基础是能量平衡关系，人体热系统 数学模型可以采取多种形式，而最简单的模型就是能量平衡方程： 丸= 九痧红。+ - - 统o a 一唬；一丸一九t ( 方程1 ) 式中：眈f 储存能量( 热流量) 的变化，w ； 代谢产热热流量，w ； 办辐射换热热流量，w ： 站。对流换热热流量，w ； 眈。脚传导导热热流量，w ； 纯j 增发散热热流量，w ； 办呼吸散热热流量，w ； 掣人体对外做功，w 。 人体温度分布研究的进展是和人体模型的划分密切相关的。由于受计算条件 的限制，早期的人体热系统模型都是一维或零维的。 1 9 4 7 年，m a c h l e 和h a t c h 将人体温度用核，t l , 和壳体两个典型的温度来表示， 这个模型的建立标志着人体温度分布研究的丌始。 中国科技人学硕十毕业论文 1 9 4 8 年，p e n n e s 提出了人臂径向温度分御计算模型，不仅考虑了人体几何 特征对人体热量散失和温度分布的影响，还考虑了人体组织中血液对体内的导热 过程的影响，并且给出了灌注血液同组织进行对流换热的计算方法，也就是著名 的生物热方程( b i o h e a te q u a t i o n ，方程2 ) 。 1 9 6 1 年，b r o w n 等人采用电模拟人体热模型的方法，建立了冷水浸泡时人 体温度分布的计算模型。在这个模型中人体被认为是由核心层、肌肉层、皮下脂 肪层和皮肤组成的。该模型考虑了服装的影响，是一个集总参数的简单系统模型。 1 9 6 3 年，w i s s l e r 在前人工作的基础上提出了多节段人体温度分布的计算模 型，模型中人体被分为六个节段，即头部、躯干、手臂、手、腿和脚。每个节段 又是由核心( 骨骼和结缔组织) 、肌肉、皮下脂肪、和皮肤组成的。模型中还引 入了中心血液的概念，用中心血液把各节段关联起来，从而考虑血液在人体温度 分布中的作用及人体各节段部分的相互影响。w i s s l e r 的模型能比较真实地反映 人体特征及生理特征，使得人体温度分布研究向前迈出了开创性的一步。 以上几种模型都只限于分析被动的、不能调节的系统，并没有考虑人体自身 的热调节功能。 3 1 3 代谢换热和血液灌注 代谢活动是维持生命的基本活动，它相当于一个体内热源。在消脂、吸收活 动基本完成且不对外做功的状态下，维持人体生命活动所必需的代谢量称为基础 代谢产热。但是通常情况下，人体并不处于这种热中性状态，可能伴有人的活动。 人的活动是靠肌肉的收缩来实现的，运动状态下肌肉收缩加剧，人的代谢量将显 著增加。另外，在寒冷状态下，肌肉的寒颤效应也会加强肌肉活动而增加换热量。 因此产热量的大小应根据环境条件和身体状态的具体情况进行估算。 由于人体所有组织都是热的不良导体，所以没有血液灌注的人体组织其导热 性是很差的。血液对组织的灌注极大提高了其导热性，从而改善了组织的传热能 力。人体内的对流换热取决于两个因素，即血流量的大小和血液同组织间的温差。 3 1 4 生物热方程2 l 1 9 4 8 年，p e n n e s 提出了著名的生物热方程，该方程第一次将生物组织与一 中国科技入学硕十毕业论文 殷t 程材料的传热从根本上区别丌束，其形式为： 胪尝刈翮m 哳 c 方 而q 矿6 = 历矿，b 巳( t a r t ) 式中：p 人体组织密度，k g m 3 ； c 人体组织比热容。j ( k g 口c ) ； t 人体组织温度，。c ； 允人体组织导热系数，w ( m 凹c ) ： g 矿。体积人体代谢产热热流量，w m 3 ； q 矿6 体积血流传输热流量，w m 3 ： 亡 m y ，b 体积血流量，k g ( m 氇) c 6 血的比热容，j ( k g f f c ) ； 于口，动脉血温度，。c ； f 时间，s ： 方程2 与传统的热传导方程的不同之处在于多了两个热源：g p 。代表组织 新陈代谢所产尘的热量，g 矿b 反映了血液灌注所传输的热量a p e n n e s 的生物热方程计算起来非常简单，并没有考虑人体的热调节活动( 血 管运动、出汗、寒颤) 对人体温度分布的影响。后续的研究者对方程中某些项的 物理意义和生理学含义进行了补充和完善，导出了更严格的通用模型，使得方程 的传热机理表达的更为全面和准确。但是p e r m e s 生物热方程的提出的确使得人 体温度分布的研究和模拟方法发生了质的变化和飞跃，奠定了人体热生理模型和 模拟的基础，现在仍然被广泛地采用。 中国科技人学硕十毕业论文 3 2 人体热调节研究 3 2 1 人体热调节系统的组成和人体热调节过程 生命活动的基本特征是新陈代谢，为了维持人体的新陈代谢水平，必须保证 体内生化反应过程在适宜的温度条件下进行。在漫长的生物进化过程中，人类逐 渐形成了完善的热调节系统，当外界环境温度变化时，人体热调节系统依靠一定 的调节手段来维持体内的温度相对稳定，从而保证生命活动的正常进行。 人体热调节系统的组成相当复杂，它由外周和中根温度感受器、体温调节中 枢、效应器等构成。分布在人体不同部位的外周温度感受器和中枢温度感受器将 感受到的温度信号传入体温调节中枢；体温调节中枢将接收到的信息进行综合处 理后，向体温调节效应器发出调节指令；效应器根据指令进行相应的控制活动： 血管扩张或收缩、肌肉运动、汗腺活动等。这些控制活动可以对人体温度进行微 调，保持其相对稳定。 但是，人体自身的热调节能力是有限的，当外界温度变化超过一定范围时， 仅依靠自身的热调节系统工作就不能保证人体温度的稳定了，还需要采取其他的 措施，比如改变衣着、使用空气温度调节设备等来达到防寒或驱热的目的。采用 相变材料制成的防护服装就能很好的满足人们保持体温的目的。 3 2 2 人体热调节系统模型 人体热调节系统数学模型由两部分组成：描述人体的物理构成和人体能量平 衡关系的生物热方程，以及描述人体热调节生理活动的控制系统数学模型。简单 的说，人体热调节系统出受控系统和控制系统组成。 在早期的人体温度分布研究中，并没有考虑人体自身的热调节功能，人体是 被作为无生命体来进行模拟的，这样的人体温度分布计算模型难以得到令人满意 的结果。 1 9 6 1 年，c r o s b i e 等人首次建立了考虑人体生理调节功能的人体温度调节闭 环控制模型，提出了体温调定点理论的初步思想，奠定了人体热调节系统数学模 拟的基础。c r o s b i e 假定人体在基础状态下的体温为“标准体温”，当人体实际体 温与标准体温存在差别时，入体组织的导热特性、代谢产热和蒸发散热会相应的 进行调节，从而直接影响人体的温度分布。 中国科技人学硕十毕业论文 1 9 6 6 年，s t o l w i j k 等人建立了人体热调节系统的一维数学模型，把人体分为 受控系统和控制系统。在s t o l w o k 模型中，人体被分为三个部分，头部包括皮肤 和核心，躯干和肢体由核心、肌肉和皮肽组成，均被抽象成圆柱体。中央血液作 为单独部分，以突出血液灌注的作用。控制系统采用了控制论的反馈原理建立了 闭环控制回路，该系统中，体温是输出量，身体的基准温度为参考输入量。s t o l w o k 提出了调定点理论的具体思想，并提出了控制信号的具体计算方法。其后， s t o l w u k 又采用w i s s l e r 的多阶段模型发展了他最初提出的模型。s t o t w i j k 模型是 人体热调节数学模型与工程相结合的成功典范，它的最大贡献在于建立了负反馈 控制的人体热调节系统控制模型，即将生理学上体温调节的“调定点”学说，通 过一个负反馈控制系统，用数学方程定量的描述人体的热调节过程。 1 9 7 1 年，g a u g e 等人建立了一个简单的模型，人体作为被控系统，而控制 系统由皮肤传感器和核心传感器组成，控制系统的输出信号可以调节皮肤血流 量、出汗量。根掘该模型的计算结果，g a u g e 等人提出了一种新的有效温度指标， 用以评价环境温度、湿度、风速、活动量、和服装对人体主观热感觉的影响。1 9 7 2 年，m o n t g o m e r y 曾用改进的g a u g e 模型来研究潜水员穿着潜水服时的热舒适问 题。 目静，人体热调节系统仍然是以体温调定点、负反馈控制为主导思想进行研 究的。 在相变材料防护服装的研究中，人体热系统数学模型是一个重要的部分，将 服装模型和人体模型结合起来进行计算和模拟，才能得到满意的结果。 中国科技人学硕十毕业论文 3 3 相变材料对人体的作用 根据人体的冷热舒适特点，结合气候条件的差异，选择相变温度适当的相变 材料，这样制成的智能条文服装可以为人体提供一个舒适的微气候环境，从而提 高生活质量和工作效率。 当一个人处于热平衡时，人体感觉舒适的温度约为3 3 4 。c 。皮肤温度与此温 度差别在1 5 口3 4 c 范围内时，人体都会感觉舒适：若温度变化范围超过+ 4 5 。c ， 人体将有冷暖感。因此，根据人体皮肤的这一特点，将相变材料应用于纺织服装 上，必须选择相变温度范围接近于人体皮肤温度变化范围的相变材料，以满足人 体舒适性的需要。 根掘外界环境温度的不同，相变材料的选择也有所不同。对于冷环境，须选 择相交温度在1 8 3 3 口2 9 4 4 。c 范围内的相变材科；对于温暖环境，须选择相变温 度在2 6 6 7 口3 7 7 8 0 c 范围内的相变材料；对于热环境，须选择相变温度在 3 2 2 2 口4 3 3 3 0 c 范围内的相变材料。人体从热平衡状态到冷环境中，温度下降， 为了有效利用相变潜热，须使相变材料的相变温度低于人体感觉舒适的热平衡温 度。其它两种环境也可照此解释。 美国k a n s a s 州立大学的s h i m 等人用电脑控制的人体模型与相邻两个测试室 ( 冷室和暖室) 对人体模型从较暖环境到较冷环境的热效应进行测试。得到的结 果是人体模型穿着含有相变材料微胶囊的服装，与未含相变材料的对照服装相 比，其热阻值比未含相变材料的对照服装要高，也就是说含相变材料的服装比未 含相变材料的服装降温速度要慢。当人体模型从热到冷环境后，含相变材料的服 装在最初的1 5 m i n 内产生了平均6 5 w 的热效应。相反，当人体模型从冷到热环 境中时，含相变材料的服装产生了平均7 6 w 的“凉”效应 6 1 从以上可以看出，含相变材料的服装在应对外界环境温度变化时，有一个缓 冲的作用，这一作用傻人体表面温度保持较舒适的状态。下面的章节将建立人体 热系统数学模型和以石蜡为相变材料的防护服模型并进行计算，以评估各种因素 对防护服效果的影响。 中国科技人学硕十毕业论文 4 1 计算模型 第四章计算模型及结果 在文献【i 】中，本人设计了一个简单的一维模型，分别计算了冷热不同环境 中相变材料各种参数和性质对纺织品保温性能的影响，得到了一些有意义的结 论。本文将进一步细分模型，并将人体热系统的影响考虑在内，以期得到更满意 的结论。 4 1 1 背景 本模型仅研究人体躯干在穿着相变防护服时的热状态变化情况，将人体躯干 取为一个圆柱体，并假设其为无限长，这样就不用考虑长度方向的导热。 由解剖学可知，人体的不同节段是由各种组织构成的。这些组织包括内脏、 血管、骨胳肌肉、结缔组织、脂肪、皮肤等，不同组织的热物性参数以及热生理 参数存在很大差别。因此，在进行模拟时，须考虑人体组织的不均匀性对温度分 布计算产生的影响。 本模型并没有考虑人体热调节系统中控制系统的影响，仅考虑其受控系统的 影响。其中的人体模型应用p e n n e s 的生物热方程，代谢产热和血液灌注作为热 源项。 中国科技人学硕十毕业论文 4 1 2 模型 图2 服装及人体模型图 肌肉层 脂肪层 皮肤层 相变材料层 如图2 所示，本模型将人体分为4 个同心层，即核心层、肌肉层、脂肪层、 皮肤层，分别用c ( c o r e ) 、r e ( m u s c l e ) 、f ( f a t ) 、s ( s k i n ) 表示；人体表面则是同样同 心的相变材料层，用p ( p c m ) 表示。在此基础上，再做如下假设： l 、核心层视为恒温，这样，核心层温度可视为模型的内边界条件。 2 、肌肉层、脂肪层、皮肤层的热物性参数以及热生理参数视为常数，相变 材料层热物性参数视为常数，这样，可以只考虑圆柱体径向的温度变化， 对模型进行一维划分。 3 、躯干代谢产热和血流量取基础代谢产热和基础代谢产热量。 4 、取脂肪层血流量为零。肌肉层和皮肤层的血流量和血液温度分别为常数， 且均匀分布在相应单元中，相当于均匀的内热源。肌肉层、皮肽层、脂 肪层、代谢产热为常数，也相当于均匀稳定的内热源。 5 、不考虑人体的寒颤产热。 6 、不考虑人体的控制系统对温度分白的影响。 中国科技入学硕十毕业论文 7 、采用p e r m e s 最早提出的生物热方程( 方程2 ) 描述人体热状态变化。 8 、忽略核心层、肌肉层、脂肪层、皮肤层之间的接触热阻。 9 、相变材料层与皮肤层视为紧密接触，并忽略两层之删的接触热阻。 1 0 、相变材料与外界之间的换热方式可能有三种：导热、辐射、对流。 本文中只考虑对流一种方式。 中国科技人学硕十毕业论文 4 2 方程及定解条件 4 2 1 人体及相夏材料层的热传导万栏放足角竿条件 人体核心层，即0 r 名时，t = 3 6 7 。c ： ( 方程3 ) 丁，；乞一= 丁，：。23 6 7 。c ； 人体肌肉层，即 r 时， 拿(k0toro r ) + ( 瓦叼弧。= 瞩署； ，研 j r | r ：r i ：= ? t | r ；r ，； 脯黼棚 ， o 时，! r 导( _ r 为o r = 乃c ，詈； 。 d ， 。 d z i l | r ：r f ：i t | ，：，f ，； 人体皮肤层，即0 厂 i 时， 吾导( 虹r 孙d r ( h = 肛g 詈；ro r o l t ，；，一= t ，：，； 相变材冁瞄 ， 钒吾导( ，争= 砟勺鲁； 广：时，一庀，娶：h ( t ( t - 瓦) ； 广2 名时，一七，石2 酗； f = 0 时，t = 3 7 1 。c 。 其中：r e 、0 、名、名分别为核心层、肌肉层外圆、脂肪层外圆、皮肤 屡外圄、相蛮材料屡的外圆半径。 中国科技人学硕十毕业论文 k m 、j 弓、j t 、k p 分别为肌肉层、脂肪层、皮肽层、相变材料层的 导热系数。 c 。、c f 、e 、cp 、c b 分别为肌肉层、脂肪层、皮肤层、相变材料层、 血液的比热容。 熊、乃、级、p ，分别为肌肉层、脂肪层、皮肤层、相变材料层的密 度。 口 m m b 、m s o 分别为肌肉层、皮肤层的血流量。 乃为血液温度，q 。基础代谢产热量。 血液温度：瓦= 3 7 。c 4 2 2 离散方法 在离散时，对相变材料层采用焓法进行离散，焓法模型如下： 愕o h = 七等 t ，：。= t o l “o t 锄瑚 t ( y o ) - t f 温度t 和比焓h 之间的关系为： h h s 时。t = h i c o s 以 月 h 对，t ：t f + s + 譬旦 o m ， h s = c m s q f s 、) ，h ! = c m | q f + s 、) + a 其中：弓为相变温度( 熔点) ，占为相变半径( 相变温度范围丁( k ) 的一半) c ”和c p ，l 分别是定型相变材料在固态和液态时的平均比容。 允定型相变材料的相变潜热( j 伙g ) 。 q 为固相焓值，q 为液相焓值。 中国科技人学硕十毕业论文 4 3 计算参数 4 3 1 人体热生理参数 1 、躯干各单元半径 0 = 7 5 m m ，= 1 1 6 m m ，r s - - 1 3 0 r a m ，r = 1 3 3 m m 2 、躯干各单元基础代谢产热吼和基础血流量m b ( 表2 ) 表2 躯干基础血流量 f肌肉层脂肪层皮肤层 i 基础血流量m 一k g ( m 3 睦) 2 - 6 4 7o1 6 7 3 躯干基础代谢产热取平均值1 0 0 0w m 3 【1 7 1 4 3 2 人体热物性参数 表3 躯干各单元热物性参数 序号组织名称 密度k g m 3比热容j ( k g 口c )导热系数w ( m f f c ) l 皮肤1 0 8 53 6 8 00 4 4 2 脂肪9 2 02 3 0 00 2 1 3肌肉1 0 8 53 8 0 0o 5 1 4 血液1 0 5 93 8 5 00 4 7 4 3 3 相变材料参数 密度取1 0 0 0 k g m 3 ： 液相和固相比热容均为2 0 0 0 j ( k g f f c ) 导热系数为o 2 w ( m e r c ) ： 相变半径5 。c ； 厚度取l m m 和2 m m 两个值； 熔点取1 8 3 0 c 、2 8 2 0 c 、3 2 6 0 c 三个值： 2 5 中国科技人学硕十毕业论文 潜热耿1 5 0 k j k g 、18 0 k j k g 、2 1 0 k j k g 及0 ( 即非相变材料) 四个值。 4 3 4 环境参数 假设人体工作环境是处于冷水中： 对流系数取为3 1 2 w m 2 e k ； 温度取为o o c 。 4 3 5 步长和节点数 时间步长：f = 0 0 2 s ， 时问节点数：n t ( n o d eo ft i m e ) = 4 5 0 0 0 。 空问步长：a r = o 2 m m ， 帽变材料层节点数：n p ( n o d eo f p c m l = 5 ( 厚度为l r n m 时) n p ( n o d eo f p c m ) = 1 0 ( 厚度为2 m m 时) 皮肤层节点数：n s ( n o d eo fs k i n ) = 1 5 ， 脂肪层节点数：n f ( n o d eo ff a t ) = 7 0 ， 肌肉层节点数：n m ( n o d eo fm u s c l e ) = 2 0 5 ， 核心层节点数：n c ( n o d eo fc o r e ) = 3 7 5 。 中国科技人学硕十毕业论文 4 4 计算结果及分析 程序通过后，将结果用e x c e l 输出。根据分析需要，将各组数掘组合后用o r i g i n 软件做出各种对比图，下面将对各个图形做出晚明与分析。 4 4 1 不同相交潜热对皮肤层相变材料层交界面上温度变化的影响 一 瑙 出 蝮 3 68 3 67 3 6 6 3 6 5 04 0 06 0 0 时间t ( s ) 图3四种相变材料潜热不同， 熔点均为1 8 3 。c ，厚度均为l m m 图3 中，采用的材料为非相变材料( 潜热为o ) 以及潜热分别为1 5 0 k j k g 、 1 8 0 k j k g 、2 1 0 k j k g 的相变材料。熔点相同，厚度相同。由图中可以看出，虽然 相变潜热不同，但是得到的降温曲线确实重合的，这是因为这四种相交材料的熔 点过低，达到最低温度时仍未能达到相变范围，相变潜热未能得到有效利用，此 时相交材料与非相变材料的功用相同。 4 3 2 1 o 9 5 ； 5 ； 5 ； 5 ； 5 ； 穹 卜毯赠羹谜 中国科技人学硕十毕业论文 3 68 3 67 3 6 6 3 65 3 6 4 o4 0 06 0 08 0 01 0 0 0 时间t ( s ) 图4 四种相变材料潜热不同， 熔点均为2 8 2 。c ，厚度均为i m m 图4 中同样出现了四条曲线重合的现象，原因也与图3 中相同。由图中可以 看出，9 0 0 s 计算结束时皮肤表面达到的最低温度在3 5 。c 以上，相变材料的温度 仍未达到相变范围，此时相交材料潜热的作用仍未发挥。 一镪心艰一j- 3 2 1 0 9 ：5 ； 5 ； 8 ：8 魁赠毫瞒釜魁 中国科技人学硕十毕业论文 一 瑙 啦 黪 3 68 3 6 ，7 3 66 3 65 02 0 0 4 0 0 6 0 08 0 0 1 0 0 0 时问t ( s ) 图5 四种相变材料潜热不同， 熔点均为3 2 6 。c ，厚度均为l m m 如图5 所示，各种相变材料熔点均为3 2 6 。c ，其相变范围是2 7 6 3 7 6 。c ， 而皮肤表面温度的变化范围包含在相变范围之内。9 0 0 s 后，使用相变材料时人 体皮肤表面比未使用相变材料的人体表面温度下降值要低大约2 0 c ，其降温速率 要低很多。而随着相变材料潜热的增加，温度下降速率逐渐降低。图中结果说明 如果在其相变范围内工作，相变材料比非相变材料有很好的保温性能，且相变潜 热越大其保温性能越好。 4 3 2 1 0 9 5 ； 箝 嚣 j趔赠宣僻鲞谜 中国科技人学硕十毕业论文 4 4 2 相变材料熔点高低对皮肤层相变材料层交界面上温度变化的影响 d4 0 06 0 08 0 01 0 0 0 时间t ( s ) 图6 三种相变材料熔点不同， 厚度均为l m m ，相变潜热酊热均为2 1 0 k j k g 图6 中是三种熔点分别为1 8 3 。c 、2 8 2 0 c 、3 2 6 0 c 的相变材料，其厚度均 为l m m 。从图中可以看出，两种熔点较低的相变材料降温曲线重合，原因图3 和图4 的解释相同，还可以看出，熔点越高，相变材料的保温作用越好。 3 0 ， 8 7 6 5 4 3 2 1 o 9 5 ； ：5 ； 5 ； 5 ； 5 j 5 ； ；5 ； 一氆戗强一j越蝎茸惜l暂倒 中国科技人学硕十毕业论文 4 4 3 相变材料层厚度对皮肤层，相变材料层交界面上温度变化的影响 一3 6 8 | 趟 岖 晤 r3 6 6 倒 赠 最3 6 4 鲞 趟 3 6 2 3 60 02 0 04 0 06 0 08 0 01 0 0 0 时间i ( s ) 图7 两种相变材料厚度不同， 熔点均为3 2 6 。c ，潜热均为1 8 0 k j k g 图7 中分别是l m m 和2 m m 的相变材料，熔点相同，潜热相同。从图中可以 看出，9 0 0 s 后厚度为2 m m 的相变材料比厚度为l m m 的相变材料降温程度要低， 这说明，相变材料越厚，其保温性能越好。 中国科技人学硕十毕业论文 4 4 4 血液灌注对皮肤层，相变材料层交界面上温度变化的影响 3 6 8 3 6 6 3 64 3 6 2 3 6 0 02 0 04 0 06 0 08 0 01 0 0 0 时间t ( s ) 图8 相变材料各项物性参数相同， 考虑血液灌注和不考虑血液灌注时的降温情况 图8 中选用的是同一种相变材料，熔点均为3 2 6 。c ，潜热均为1 8 0 k j k g ，厚 度均为i m m 。由图中可以看出，9 0 0 s 后计算结束时，考虑血液灌注时计算得到 的皮肤表面温度降比不考虑血液灌注时要低，也就是说，血液灌注对保持人体组 织温度稳定有很重要的影响，在设计相变防护服时应当纳入考虑范畴。 一趔咀雅一卜掣娟逗懈甾越 中国科技人学硕十毕业论文 4 4 5 人体代谢产热对皮肤层相变材料层交界面上温度变化的影响 3 7 0 3 8 ，8 剑 戗 晤 i3 6 6 刨 赠 羹弧4 堪 3 6 2 3 6 o 02 0 04 0 06 0 08 0 01 0 0 0 时间i ( s ) 图9 相变材料各项物性参数相同， 考虑代谢产热和不考虑代谢产热时的降温情况 图9